ЛИНЕЙНЫЙ ГЕНЕРАТОР ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромагнитным генераторам, которые служат автономными источниками питания. Предлагаемый генератор может быть использован совместно с двигателями внутреннего сгорания без кривошипно-шатунного механизма, в устройствах, преобразующих вибрацию в напряжение (например, в подвеске экипажей), а также в автономных устройствах с ручным приводом.

Известны электрические генераторы возвратно-поступательного движения, содержащие магнитопроводы с обмоткой, закрепленные неподвижно, и постоянные магниты, приведенные в возвратно-поступательное движение посторонним источником энергии (Хитерер М.Я., Овчинников И.Е. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения. СПб.: Корона принт, 2004. - 368 с.). Основными недостатками рассмотренных конструкций являются сложность устройства и применение постоянных магнитов.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является генератор возвратно-поступательного движения, содержащий цилиндрический корпус, обмотки и магнитную систему, отличающийся тем, что в цилиндрический корпус, изготовленный из ферромагнитного материала, герметизированный с обеих сторон заглушками, выполненными из немагнитного материала вставлен тонкостенный ферромагнитный анизотропный каркас с размещенными на нем обмотками, соединенными последовательно-согласно и зафиксированными немагнитными кольцами, а магнитная система состоит из постоянного магнита и полюсных наконечников, изготовленных из ферромагнитного материала, причем bп/t=0,5, где bп - ширина полюсного наконечника, t - ширина обмотки (патент РФ №2304342, МПК H02K 35/0, опубл. 10.08.2007, БИ №22).

Прототип является сравнительно сложным и дорогим в изготовлении. Постоянный магнит, применяемый для возбуждения магнитного поля, стоит дорого, трудно обрабатывается и, кроме того, теряет свои свойства в процессе эксплуатации. Еще один недостаток прототипа заключается в том, что он создает напряжение малой величины. Это обусловлено принципом его действия: ЭДС, создаваемая в обмотке, пропорциональна магнитной индукции B, длине l и числу n проводников в зоне магнитного поля и скорости относительного движения ν проводников относительно магнитного поля, т.е E=Blνn. Сравнительно большой воздушный зазор между магнитопроводом статора и магнитопроводом якоря (немагнитная обмотка расположена в этом зазоре) не позволяет получить большую магнитную индукцию. Применение однослойной обмотки (расположенной в рабочем зазоре) не позволяет получить большое число витков обмотки, расположенных в зоне, где проходит основной магнитный поток.

Задачей изобретения это упрощение конструкции и создания самовозбуждения генератора, а также уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Для устранения названных недостатков предлагается более простая конструкция генератора, использующая иной принцип получения напряжения на обмотке переменного тока.

Предлагается линейный генератор возвратно-поступательного движения, содержащий неподвижные и подвижный магнитопроводы, отличающийся тем, что подвижный магнитопровод выполнен из углеродистой стали, сохраняющей остаточную индукцию и имеет n явно выраженных полюсов по продольной и поперечной оси, расположенных в осевом направлении на расстоянии друг от друга, в 3 раза превышающем ширину полюса, а неподвижные магнитопроводы расположены попарно по продольной и поперечной оси и имеют по две обмотки - обмотку возбуждения и генераторную обмотку, которая создает ЭДС, пропорциональную скорости изменения потокосцепления с частотой в n-1 раз больше частоты возвратно поступательных движений, при этом генераторные обмотки подключены через диодный мост и термосопротивление к конденсатору, заряжая его, а обмотки возбуждения подключены тоже к конденсатору через диод, позволяющий проходить ток в одном направлении для создания постоянного магнитного поля. Магнитопроводы с обмотками, расположенные по продольной оси, смещены на четверть периода относительно магнитопроводов, расположенных по поперечной оси.

В предлагаемой конструкции ЭДС пропорциональна скорости изменения потокосцепления , где w - число витков (генераторной) обмотки переменного тока, Ф=B·S - Ф и В - поток и индукция магнитного поля, проходящие по магнитопроводу статора, S - сечение полюса этого магнитопровода. Предлагаемая конструкция позволяет иметь малый воздушный зазор между магнитопроводами (0,3…0,4 мм) и большую магнитную индукцию (В=0,8…1,2 Тл). Кроме того, сосредоточенная обмотка переменного тока, расположенная на магнитопроводе за пределами рабочего зазора, может иметь большое число витков. Все это позволяет получать с помощью предлагаемого генератора более высокие ЭДС и напряжения (10…100 В).

С целью упрощения и удешевления конструкции генератора его система возбуждения от постоянных магнитов заменена системой электромагнитного возбуждения, а чтобы исключить применение аккумуляторов, требующиеся для системы электромагнитного возбуждения, организовано самовозбуждение генератора. Для этого подвижный магнитопровод выполнен из дешевой (по сравнению с постоянным магнитом) углеродистой стали, сохраняющей остаточную намагниченность. Эта остаточная намагниченность используется для создания начального магнитного потока в магнитопроводе и начального напряжения в генераторной обмотке (когда начнутся возвратно-поступательные движения якоря). Это напряжение после выпрямления и сохранения в конденсаторе будет приложено к обмотке возбуждения. Возникающий при этом в обмотке возбуждения электрический ток приведет к увеличению магнитного потока в магнитной цепи. Возросший магнитный поток приведет к увеличению напряжения в генераторной обмотке и, соответственно, к очередному увеличению тока в обмотке возбуждения и магнитного потока в магнитопроводе. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока отдельные участки магнитопровода не дойдут до насыщения. После этого максимальное значение магнитного потока не будет изменяться и выходное напряжение, снимаемое с конденсатора, стабилизируется (при неизменной частоте возвратно-поступательных движений якоря).

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения магнитопроводы с обмотками, расположенные по продольной оси, смещены на четверть периода относительно магнитопроводов, расположенны по поперечной оси. При этом в их генераторных обмотках будут, наводиться ЭДС, сдвинутые по фазе на четверть периода (фактически будет сформирована двухфазная система ЭДС). При необходимости можно сформировать и трехфазную систему ЭДС, применяя 6 магнитопроводов с обмотками и попарно сдвинув их на треть периода.

На фиг.1 и представлена конструкция генератора на фиг.2 вид А. Генератор содержит корпус 1 с закрепленным к нему неподвижными П-образными магнитопроводами 2, на которых имеются генераторные обмотки 3 и обмотки возбуждения 4. Одна пара магнитопроводов расположена по продольной оси, а другая пара - по поперечной. Подвижный магнитопровод 5 выполнен из углеродистой стали, сохраняющей остаточную индукцию и имеет n явно выраженных полюсов по продольной и поперечной оси, расположенных в осевом направлении на расстоянии друг от друга, в 3 раза превышающем ширину полюса. Увеличение числа полюсов n позволяет увеличить частоту переменного напряжения в генераторной обмотке (что актуально при невысокой частоте возвратно-поступательных движений; при высокой частоте n=2). Подвижный магнитопровод 5 совершает возвратно-поступательные движения под действием внешних сил. Генераторные обмотки 3 подключены парами (последовательно или параллельно) через диодные мосты и термосопротивления R к конденсатору С, заряжая его. Обмотки возбуждения 4 тоже подключены к конденсатору через диоды D, обеспечивающие прохождение тока в прямом направлении для возбуждения постоянного магнитного поля. С целью уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения магнитопроводы 2 с обмотками, расположенные по продольной оси, смещены на четверть периода относительно магнитопроводов, расположенных по поперечной оси.

Работает генератор следующим образом. При перемещении подвижного магнитопровода 5 изменяется магнитный поток через генераторную обмотку 3 и в ней наводится ЭДС, пропорциональная скорости изменения потокосцепления , где w - число витков генераторной обмотки, Ф=BS, Ф и В - поток и магнитная индукция неподвижном магнитопроводе, S - сечение полюса этого магнитопровода. При сближении полюсов подвижного 5 и неподвижного 2 магнитопроводов магнитный поток возрастает, а при расхождении полюсов - уменьшается. При этом в генераторной обмотке 3 формируется знакопеременная ЭДС, которая диодным мостом выпрямляется и конденсатором С сглаживается. Поскольку магнитопроводы 2 и 5, расположенные по продольной и поперечной оси сдвинуты друг относительно друга на четверть периода, в генераторных обмотках 3 формируются напряжения, сдвинутые по фазе на четверть периода, что позволяет в дальнейшем получить меньшую пульсацию выпрямленного напряжения. Термосопротивление R_t в холодном состоянии имеет большое сопротивление и благодаря этому ограничивает первоначальный бросок тока через конденсатор и тем самым защищает полупроводниковые диоды от разрушения. С конденсатора С снимается выходное напряжение генератора U_вых (для подключения внешних устройств), а также напряжение для питания обмотки возбуждения 4. При этом последовательно с обмоткой возбуждения 3 в прямом направлении включен диод D, отсекающий ту переменную составляющую тока, наведенного в этой обмотке изменяющимся магнитным потоком, которая направлена встречно основному току возбуждения.

Самовозбуждение генератора осуществляется следующим образом. В нерабочем состоянии подвижный магнитопровод 5 генератора, выполненный из углеродистой стали сохраняет остаточную намагниченность. При этом полюсы подвижного 5 и неподвижного 2 магнитопроводов находятся напротив друг друга и в магнитной цепи сохраняется некоторый остаточный магнитный поток. При запуске генератора 1 перемещение подвижного магнитопровода 5 от первоначального (устойчивого) положения приведет к изменению магнитного потока, возникновению в генераторной обмотке 3 ЭДС, увеличению напряжения на конденсаторе C, появлению тока в обмотке возбуждения 4. При этом магнитный поток в магнитопроводе 2 увеличится и при дальнейших возвратно-поступательных движениях подвижного магнитопровода 5 ЭДС в генераторной обмотке 3 будет постепенно возрастать, напряжение на конденсаторе C и ток в обмотке возбуждения 4 тоже будут возрастать. Все это приведет к постепенному увеличению магнитного потока в магнитопроводе 2 до тех пор, пока отдельные участки магнитопровода 2 не войдут в режим насыщения. При насыщении магнитопровода 2 максимальное значение магнитного потока будет оставаться неизменным и при сохранении частоты возвратно-поступательных движений напряжение на выходе генератора будет оставаться неизменным.